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【摘要】采用89C51与Profibus-DP总线协议芯片SPC4构成了一个用于流量检测的智能从站。描述了Profibus-DP总线协议的结构，阐述了相关的硬件和软件设计方法，给出了具体的硬件构成与部分主程序源代码，实现了一个应用于某公司液体流量检测Profibus-DP的智能从站。
【关键词】SPC4；Profibus-DP；89C51；智能从站
引言
Profibus现场总线控制技术是一种国际性的开放的现场总线控制标准。从1991年德国颁布FMS标准（DIN 19245）至今，该标准现已经被全世界接受，其应用覆盖机械加工、过程控制、电子交通以及楼宇自动化的各个领域。PROFIBUS于1995年成为欧洲标准（EN 50170)，1999年成为国际标准（IEC 61158-2)[1][2]。2001年10月，它被批准为中华人民共和国工业自动化领域标准中的现场总线控制标准。目前，世界上许多自动化产品生产厂家的设备都提供Profibus接口。Profibus在众多的现厂总线控制标准中以超过40%的市场占有率稳居榜首，其产品每年增长20%--30%。在世界范围内已经安装运行Profibus设备超过1000万台。本文讨论的Profibus智能从站是按照某公司的要求对各种液体燃料的流量检测系统进行技术改造而设计的。整个系统使用的是Profibus-DP网络，主站采用Siemens的IM180和IM181主站接口模块的PC模拟站。
1.Profibus协议结构
Profibus根据应用特点分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三种兼容版本。Profibus-DP属于设备总线，主要应用于复杂现场设备和分布式I/O。其物理结构为RS-485，传输速率为9.6Kb~12Mb/s；Profibus-FMS属于系统总线，应用于车间级网络监控。其物理结构也是RS-485，传输速率为9.6Kb~12Mb/s；Profibus-PA属于设备总线，主要应用于两线制供电和本安过程控制仪表，传输速率为31.25Kb/s,它在保持DP协议的同时，增加了对现场仪表的馈电功能，执行标准IEC 61158-2。Profibus主站决定总线的数据通信。当主站得到总线控制权时，即使没有外界请求，也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括输入/输出装置、阀门、测量发送器等。它没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认；或者当主站发出请求时，向它发送信息。从站的功能简单、只需要总线协议的一小部分，实施起来比较经济。
Profibus-DP由物理层、数据链路层和用户接口三部分组成，物理层规定了线路介质、物理连接的类型和电器特性。Profibus通过采用差分电压输出的RS485实现电路连接，在线路拓扑结构下采用双绞线电缆，本设计在原有基础上仍然采用双绞线电缆。数据链路层描述了用于数据传输中报文的一般格式，安全机制和可用的传输服务。DP只使用SRD（发送和请求 数据需应答）和SDN（发送数据不需应答）服务，在SRD服务中，主站发送输出数据到从站和接受从站数据的输入，在规定时间内应答。
2.系统硬件设计
本设计采用89C51+SPC4实现低成本的智能从站。SPC3是Siemens公司生产的一种用于Profibus-DP从站的智能通信芯片，其集成了大部分的Profibus-DP协议，只有模拟数据传送功能需要另行开发的硬件和软件支持。SPC4通过它的双口RAM与单片机89C51交换数据。用户通过总线接口访问内部数据。SPC4芯片的主要特征如下：
(1)用于从站的智能通信芯片，支持Profibus-DP协议；
(2)最大传输数率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率；
(3)集成看门狗；
(4)外部时钟接口24MHz或者48MHz；
(5)SPC3能独立完成全部Profibus-DP通信功能，这样可加速通信协议的执行，也可以减少软件设计；
(6)5V DC供电。
其内部结构如图1所示。
(1)总线接口单元（BIU）是与微处理器连接的可参数化的8位同步/异步数据接口，同时它有一个11位的地址线。这个接口可以由XINT/MOT和MODE来配置其状态。用户可以通过N位地址总线（AB）存取1.5K RAM或参数锁存器。
(3)过程制定参数和数据缓冲器都存放在1.5K RAM中，RAM和RAM控制器组成双口RAM，其空间地址从1000H到15FFH。
(4)状态寄存器（Status Register）反映从站当前的状态信息，以便在任何时间能扫描现场总线的介质访问子层。状态寄存器是只读的。
(5)中断控制器（Interupt Controller ）接收不同事件和各种错误的中断请求，SPC4有一个共同的中断输出。中断控制器可以存储16个中断事件，但是各个中断事件没有优先级，并且不提供中断向量。
(6)内置的看门狗定时器（WatchDog Timer）能工作在三种状态：“Baud-search”“Baud-Control”和“DP-Control”。
(7)串口通信口（UART）把并行数据流转换成串行数据流输出到RS485总线上和将串行的数据流转换成并行的数据流，并自动识别波特率。
(8)空闲定时器（Idle Timer）直流控制串行总线电缆上的时序。
(9)序列微控制器（Micro Sequencer）控制整个SPC4的工作过程。
由于Profibus-DP网络中的半双工RS485必修具备处理≥12M的数据处理能力，为了保证在极坏负载条件下的有效接收器输入电压，差分驱动器输出必修能够在满载下达到≥2.1V的电压幅度。同时，为了尽可能地减少信号失真，驱动器和接收器输出应该具备≤2ns的波形失真，本系采用MAX3464芯片实现该功能。收发器较低的电源电流节省了成本和板面，这是因为Profibus-DP的接口在多数情况下是电气隔离的，所有输入/输出引脚上的ESD保护使IC免遭2kV的ESD冲击破坏。
3.系统软件设计
4.结语
本Profibus-DP智能流量检测从站在某公司锅炉尾热回收控制系统中稳定运行近一年，数据采集准确稳定，明显提高了流量检测的精度和敏度，满足用户的要求。在整个系统运行，与其他开发的控制站进行联机运行，效果良好。实现了从站与从站之间的通信，从而减轻整个系统主控制站的负荷。
参考文献：
[1]唐济扬.现场总线（PROFIBUS）技术应用指南[M].北京：中国机电一体化技术应用协会.
[2]Xu Jun, Fang Yan-jun. Profibus automation technology and its application in DP slave development [A].Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Information Acquisition [C].2004,155-159.
[3]刘春孜.PROFIBUS-DP 智能从站的设计与实现[J].自动化仪表. 2006,1(21):33--35.
[4]刘文涛，等.单片机语言C51程序设计[M].北京：原子能出版社，2009.
【关键词】SPC4；Profibus-DP；89C51；智能从站
引言
Profibus现场总线控制技术是一种国际性的开放的现场总线控制标准。从1991年德国颁布FMS标准（DIN 19245）至今，该标准现已经被全世界接受，其应用覆盖机械加工、过程控制、电子交通以及楼宇自动化的各个领域。PROFIBUS于1995年成为欧洲标准（EN 50170)，1999年成为国际标准（IEC 61158-2)[1][2]。2001年10月，它被批准为中华人民共和国工业自动化领域标准中的现场总线控制标准。目前，世界上许多自动化产品生产厂家的设备都提供Profibus接口。Profibus在众多的现厂总线控制标准中以超过40%的市场占有率稳居榜首，其产品每年增长20%--30%。在世界范围内已经安装运行Profibus设备超过1000万台。本文讨论的Profibus智能从站是按照某公司的要求对各种液体燃料的流量检测系统进行技术改造而设计的。整个系统使用的是Profibus-DP网络，主站采用Siemens的IM180和IM181主站接口模块的PC模拟站。
1.Profibus协议结构
Profibus根据应用特点分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三种兼容版本。Profibus-DP属于设备总线，主要应用于复杂现场设备和分布式I/O。其物理结构为RS-485，传输速率为9.6Kb~12Mb/s；Profibus-FMS属于系统总线，应用于车间级网络监控。其物理结构也是RS-485，传输速率为9.6Kb~12Mb/s；Profibus-PA属于设备总线，主要应用于两线制供电和本安过程控制仪表，传输速率为31.25Kb/s,它在保持DP协议的同时，增加了对现场仪表的馈电功能，执行标准IEC 61158-2。Profibus主站决定总线的数据通信。当主站得到总线控制权时，即使没有外界请求，也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括输入/输出装置、阀门、测量发送器等。它没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认；或者当主站发出请求时，向它发送信息。从站的功能简单、只需要总线协议的一小部分，实施起来比较经济。
Profibus-DP由物理层、数据链路层和用户接口三部分组成，物理层规定了线路介质、物理连接的类型和电器特性。Profibus通过采用差分电压输出的RS485实现电路连接，在线路拓扑结构下采用双绞线电缆，本设计在原有基础上仍然采用双绞线电缆。数据链路层描述了用于数据传输中报文的一般格式，安全机制和可用的传输服务。DP只使用SRD（发送和请求 数据需应答）和SDN（发送数据不需应答）服务，在SRD服务中，主站发送输出数据到从站和接受从站数据的输入，在规定时间内应答。
2.系统硬件设计
本设计采用89C51+SPC4实现低成本的智能从站。SPC3是Siemens公司生产的一种用于Profibus-DP从站的智能通信芯片，其集成了大部分的Profibus-DP协议，只有模拟数据传送功能需要另行开发的硬件和软件支持。SPC4通过它的双口RAM与单片机89C51交换数据。用户通过总线接口访问内部数据。SPC4芯片的主要特征如下：
(1)用于从站的智能通信芯片，支持Profibus-DP协议；
(2)最大传输数率12Mbit/s，可自动检测并调整数据传输速率；
(3)集成看门狗；
(4)外部时钟接口24MHz或者48MHz；
(5)SPC3能独立完成全部Profibus-DP通信功能，这样可加速通信协议的执行，也可以减少软件设计；
(6)5V DC供电。
其内部结构如图1所示。
(1)总线接口单元（BIU）是与微处理器连接的可参数化的8位同步/异步数据接口，同时它有一个11位的地址线。这个接口可以由XINT/MOT和MODE来配置其状态。用户可以通过N位地址总线（AB）存取1.5K RAM或参数锁存器。
(3)过程制定参数和数据缓冲器都存放在1.5K RAM中，RAM和RAM控制器组成双口RAM，其空间地址从1000H到15FFH。
(4)状态寄存器（Status Register）反映从站当前的状态信息，以便在任何时间能扫描现场总线的介质访问子层。状态寄存器是只读的。
(5)中断控制器（Interupt Controller ）接收不同事件和各种错误的中断请求，SPC4有一个共同的中断输出。中断控制器可以存储16个中断事件，但是各个中断事件没有优先级，并且不提供中断向量。
(6)内置的看门狗定时器（WatchDog Timer）能工作在三种状态：“Baud-search”“Baud-Control”和“DP-Control”。
(7)串口通信口（UART）把并行数据流转换成串行数据流输出到RS485总线上和将串行的数据流转换成并行的数据流，并自动识别波特率。
(8)空闲定时器（Idle Timer）直流控制串行总线电缆上的时序。
(9)序列微控制器（Micro Sequencer）控制整个SPC4的工作过程。
由于Profibus-DP网络中的半双工RS485必修具备处理≥12M的数据处理能力，为了保证在极坏负载条件下的有效接收器输入电压，差分驱动器输出必修能够在满载下达到≥2.1V的电压幅度。同时，为了尽可能地减少信号失真，驱动器和接收器输出应该具备≤2ns的波形失真，本系采用MAX3464芯片实现该功能。收发器较低的电源电流节省了成本和板面，这是因为Profibus-DP的接口在多数情况下是电气隔离的，所有输入/输出引脚上的ESD保护使IC免遭2kV的ESD冲击破坏。
3.系统软件设计
4.结语
本Profibus-DP智能流量检测从站在某公司锅炉尾热回收控制系统中稳定运行近一年，数据采集准确稳定，明显提高了流量检测的精度和敏度，满足用户的要求。在整个系统运行，与其他开发的控制站进行联机运行，效果良好。实现了从站与从站之间的通信，从而减轻整个系统主控制站的负荷。
参考文献：
[1]唐济扬.现场总线（PROFIBUS）技术应用指南[M].北京：中国机电一体化技术应用协会.
[2]Xu Jun, Fang Yan-jun. Profibus automation technology and its application in DP slave development [A].Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Information Acquisition [C].2004,155-159.
[3]刘春孜.PROFIBUS-DP 智能从站的设计与实现[J].自动化仪表. 2006,1(21):33--35.
[4]刘文涛，等.单片机语言C51程序设计[M].北京：原子能出版社，2009.